壓力傳感器作用下的輸液管變形以及應力松弛

黃漢東

(廣州市便攜醫療科技有限公司,廣東 廣州511300)

1 概述

輸液泵是一種醫療設備，用于以受控方式將液體輸送到患者體內。有多種不同類型的輸液泵，可用于各種目的和各種環境。為了確保輸液過程安全，輸液泵內有壓力傳感器[1-3]。當輸液管壓力大于某一閾值時，輸液泵就會發出發生阻塞的警報，同時自動停止輸液。壓力傳感器通過夾緊輸液管來感應器內部液體的壓力[4-6]。輸液管上的應力松弛是影響壓力傳感器的一個重要因素。大部分輸液管的材料為軟PVC,是一種常見的廉價的高分子聚合物。和其它高分子聚合物類似，軟PVC 具有較為明顯的應力松弛特性。其內部的應力會隨時間增加而逐漸衰減,作用于壓力傳感器避免上的接觸壓力也會隨之衰減,而壓力傳感器則無法識別這種壓力衰減是來源于輸液管的應力松弛還是輸液管內部液體壓力的降低[7-9]。這導致壓力傳感器的讀數無法正確反應輸液管內液體的壓力。為了提高壓力傳感器的精度，技術人員希望由輸液管應力松弛產生的壓力變化值盡量小[10-11]。

有限元分析軟件可以模擬由粘彈性材料組成的結構，因此可以利用這些有限元分析軟件計算和模擬應力松弛過程。本文采用有限元分析方法研究了壓力傳感器作用下輸液管應力松弛的情況。

2 有限元分析過程

有限元分析過程包括幾何模型的建立、網格劃分、邊界條件定義、材料模型設置、求解以及后處理過程。

2.1 幾何模型

為了使計算機軟件能夠順利進行分析計算，幾何模型通常是對實物的簡化，同時考慮到讓分析結果能盡量接近實際情況，簡化后的幾何模型的主要尺寸與實物是一致的，并能夠體現主要的力的大小和作用位置。圖1 為本文建立的用于分析輸液管應力松弛現象的幾何模型。

2.2 網格設置

設置網格邊長為0.04mm,四邊形網格，進行自動網格劃分。網格劃分結果見圖2。左右兩邊的垂直線代表壓力傳感器壁面。

2.3 邊界條件

圖1 輸液管在壓力傳感器作用下簡化的幾何模型

圖2 壓力傳感器壁面和輸液管的網格劃分

左側垂直線各方向的自由度設為0，右垂直線設置為在1 秒內勻速向左移動2mm。1 秒后停止移動，在接下來的9999 秒內將計算由管變形產生的管壁上的應力分布以及在傳感器壁面產生的接觸壓力。

2.4 材料模型設置

本文采用在高分子聚合物分析領域比較常用的Mooney-Rivlin 模型，將輸液管所采用的軟PVC 材料試驗結果輸入到Mooney-Rivlin 模型里，得到圖3 所示的材料參數曲線。

圖3 輸液管所采用的軟PVC 材料參數曲線

2.5 求解器設置

激活大變形靜態分析。分析時間為0～10000 秒。通過分析過程，計算出壓力傳感器壁面上的接觸壓力以及管壁上的應力分布變化。

2.6 分析結果

圖4 為輸液管管壁上的應變分布，箭頭所指的四個角位置的應變強度比較低。應變分布與應力分布具有相同的特征。

圖4 管壁上的應變分布

圖5 為輸液管上不同的位置應力隨時間變化情況。在10000 秒時，各點的應力較第1 秒末的應力大幅降低。

圖5

圖6 為輸液管作用在壓力傳感器壁面上的力隨時間變化的情況。由該圖可知，輸液管在壓力傳感器壁上產生接觸壓力合力在10000 秒后減小到小于初始值的四分之一。

圖6 輸液管作用在壓力傳感器壁面上的力隨時間的變化

3 結論及展望

隨著時間的增加，輸液管作用在壓力傳感器壁面上的接觸壓力會不斷衰減，在10000 秒后減小到小于初始值的四分之一，這使得壓力傳感器很難獲得輸液管中液體的壓力。在壓力傳感器壁面的不同位置，其所受到的接觸壓力不同。因此，更好地設計傳感器壁的形狀將有助于減少輸液管中液體壓力的誤差。